基于32位DSP及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 隨著32位DSP的普及，32位處理器已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的微處理器相比速度更快、性能更強(qiáng)、資源豐富，更符合發(fā)展的腳步。TMS320F28027是一款32位的DSP，具有運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。本文利用TMS320F28027控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，從而使物體在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物體在平面內(nèi)可以任意地畫(huà)指定的曲線和圓等。圖1為懸掛系統(tǒng)的模型。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

圖2為懸掛系統(tǒng)控制框圖，以TMS320F28027為控制芯片，利用L298N 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)采用42HS4813A4，其額定電流為1.3A，步距角為1.8°，利用LCD-12864液晶顯示被控制物的實(shí)時(shí)坐標(biāo)?？刂?個(gè)步進(jìn)電機(jī)正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)達(dá)到物體在平面內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)的效果。

圖1 懸掛系統(tǒng)的模型

圖2 懸掛系統(tǒng)控制框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 L298N

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。圖3為L(zhǎng)298N模塊的電路原理圖。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，其最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器。利用2個(gè)L298N來(lái)分別控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的額定電流為1.3A，同時(shí)通2相時(shí)，電流為2.6A，L298N 可以達(dá)到42HS4813A4步進(jìn)電機(jī)的電流要求。

圖3 L298N模塊電路原理圖

2.2 絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器的精度必須要高于步進(jìn)電機(jī)的精度，所以這里采用的是10位絕對(duì)式編碼器。選用的型號(hào)是Mini1024J，精度為10位，優(yōu)點(diǎn)在于采用無(wú)接觸霍爾檢測(cè)技術(shù)，傳感器運(yùn)行不受灰塵或其他雜物影響，很好克服了基于光學(xué)檢測(cè)原理的缺點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 幾何關(guān)系1：從任意點(diǎn)移動(dòng)到任意點(diǎn)算法

坐標(biāo)示意圖如圖4所示，有如下的邊長(zhǎng)和角度關(guān)系：

圖4 坐標(biāo)示意圖

3.2 幾何關(guān)系2：當(dāng)前位置坐標(biāo)顯示算法

如圖5所示，存在以下的角度和邊長(zhǎng)關(guān)系：

控制代碼如下：

圖5 坐標(biāo)示意圖

3.3 電機(jī)位置閉環(huán)控制方法

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制框圖如圖6所示，TMS320F28027分別用2個(gè)定時(shí)器來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)，用絕對(duì)式編碼器對(duì)位置進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行失步補(bǔ)償，保證位置正確，并且可以使曲線圓滑。

圖6 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制框圖

步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為42HS4813A4，為了防止失步，步進(jìn)電機(jī)每步的最小間隔為4ms，并且用軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了十六細(xì)分，即每步的間距為0.45°?？刂齐姍C(jī)部分的程序流程圖如圖7所示。

圖7 控制電機(jī)部分的程序流程圖

控制代碼如下：

3.4 畫(huà)圖算法

利用幾何關(guān)系任意點(diǎn)到任意點(diǎn)的算法，分別給處理器一連串的位置坐標(biāo)，控制物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖8所示。

圖8 畫(huà)圓取點(diǎn)示意圖

相同間隔取N個(gè)點(diǎn)，分別輸入處理器，來(lái)控制物體的坐標(biāo)。將取的點(diǎn)傳遞給TMS320F28027時(shí)，為了讓圓足夠的平滑，消去鋸齒狀，所以在圓上取了200個(gè)點(diǎn)?？刂拼a如下所示：

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)完成后，進(jìn)行了兩項(xiàng)測(cè)試，分別是畫(huà)圓運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)。

其中畫(huà)圓運(yùn)動(dòng)測(cè)試是在輸入圓心坐標(biāo)以及半徑后，對(duì)實(shí)際畫(huà)出圓的直徑與理論直徑作了對(duì)比，并且記錄了畫(huà)圓的耗時(shí)。此測(cè)試中，圓心坐標(biāo)為(40.0cm，40.0cm)，輸入的半徑值為30.0cm，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 畫(huà)圖運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果

其中，運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)測(cè)試是以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)，在輸入指定坐標(biāo)之后，對(duì)原點(diǎn)到指定點(diǎn)距離的理論值和實(shí)際值作了對(duì)比，并且記錄了運(yùn)動(dòng)完后回到原點(diǎn)的誤差距離，即是否能準(zhǔn)確回到原點(diǎn)。在此測(cè)試中，運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)坐標(biāo)為(0cm，0cm)，目標(biāo)坐標(biāo)為(49.0cm，50.0cm)，即距離原點(diǎn)為70.0cm，實(shí)際測(cè)試時(shí)，運(yùn)動(dòng)到(49.1cm，49.2cm)，即距離原點(diǎn)69.5cm，測(cè)試結(jié)果如表2所列。

表2 運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)測(cè)試

由測(cè)試結(jié)果可看出，該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。